IC保护点路原理2

1、IC 保护电路RockMay 24th, 2014 .CONFIDENTIAL2Analog blockOVP Over Voltage Protection 过电压保护过电压保护OCP Over Current Protection 过电流保护过电流保护 OLP Over Load Protection 过负载保护过负载保护OTP Over Temperature Protection 过温度保护过温度保护POR Power On Reset 欠压保护欠压保护这些都是电路的反馈保护机制，在电路某一项参数这些都是电路的反馈保护机制，在电路某一项参数超出额定参数后，电路会自动切断以保护电路。超出

2、额定参数后，电路会自动切断以保护电路。CONFIDENTIAL3一一 OTP 过温保护电路过温保护电路 随着IC芯片集成密度和功率密度的不断提高，功耗不断增大。由于功耗增大，引起芯片温度上升，当超过极限温度时，根据半导体物理学中本征半导体载流子随温度变化的规律，对本征半导体，在室温附近时，温度每升高8度，本征载流子浓度增加约1倍。温度足够高时，本征载流子激发占主导，器件失效。因此，必须对芯片设计热关断电路，特别是在集成功率器件的功率集成电路中。当芯片超过警戒温度时，电路提供一个热关断信号，禁止芯片工作；当芯片温度降到滞回区间外时，恢复芯片工作。 过温保护电路的设计思路是利用二极管或三极管的温度

3、特性来检测芯片内部温度的变化，当温度超过设定值时，保护电路工作，将系统关断，以防其损坏。热关断电路设计的关键是将温度信号精确的转变为电压信号。传统的方法是用热电偶和热电感来检测温度，但是这些方法不适合芯片的设计。因此，必须利用集成电路中各种器件的温度特性来设计热关断电路。CONFIDENTIAL4一一 OTP 过温保护电路过温保护电路 本征载流子本征载流子（Intrinsic carrier）就是本征半导体中的载流子（电子和空穴），即不是由掺杂所产生出来的载流子。也就是说，本征载流子是由热激发本征激发所产生出来的，即是价电子从价带跃迁到导带而产生出来的；它们是成对产生的，所以电子和空穴的浓度始

4、终相等。本征半导体，从物理本质上来说，也就是两种载流子数量相等、都对导电起同样大小的半导体。因此，未掺杂的半导体是本征半导体，但是掺有杂质的半导体在一定条件下也可能成为本征半导体（只要两种载流子的浓度相等）。对于掺有杂质的n型或p型半导体，其中的多数载流子主要就是由杂质电离所提供，而其中的少数载流子则是由本征激发所产生的。因此，在杂质全电离情况下，多数载流子浓度基本上与温度无关，但少数载流子则随着温度将指数式增大。 与温度的关系：与温度的关系： 因为本征载流子是由本征激发所产生的，则它的产生与热激发有关，也与禁带宽度有关，所以具有以下特点：一是电子浓度=空穴浓度；二是载流子浓度随着温度的升高而

5、指数式增大；三是与禁带宽度有指数函数关系（不同半导体的本征载流子浓度不同）。本征载流子浓度ni与温度T和禁带宽度Eg的关系为（与杂质无关）ni = (NcNv)(1/2) expEg/(2kT) 在室温下，Si的ni=1.451010cm-3，GaAs的ni=1.791010cm-3。(N阱注入31012cm-3，阱外11012cm-3)由于本征载流子浓度ni随着温度的升高而指数式增大，故在足够高的温度下，对于掺杂的半导体，在较高温度下，本征载流子浓度也都将大于杂质所提供的载流子浓度多数载流子浓度。这就是说，即使是掺杂的半导体（除非掺杂浓度异常高），都将随着温度的升高而逐渐转变为本征半导体（两

6、种载流子浓度相等）。这种半导体本征化的作用，即将导致pn结失效，所以这实际上也就是限制所有半导体器件及其集成电路的最高工作温度的根本原因；也因此，半导体器件的最高工作温度也就由半导体的本征化温度来稳定。CONFIDENTIAL5一一 OTP 过温保护电路过温保护电路 1 两种典型的过热保护电路两种典型的过热保护电路 1 利用齐纳二极管的传统过热保护电路利用齐纳二极管的传统过热保护电路如图1 所示,三极管Q2 的基极电压为:我们知道,三极管Q1 的VBE 具有负温度系数, 而齐纳二极管DZ 的V Z 具有正的温度系数。在常温下,VB2 小于三极管Q2 的导通电压, Q2 不导通,输出电压V OU

7、T 为高电平;当温度升高时,V Z 增加,VBE1 减小, 使VB2 增加, 当温度升到一定值时, Q2 导通,使输出V OU T 翻转,变为低电平。在双极性工艺中,VBE 和V Z 的温度性能是可靠的,该电路性能是比较高的,但在稳定电压大于7 V 时齐纳二极管才具有正的温度系数 ,在CMOS 工艺中很难产生这么高的电压。更重要的是该过热保护电路功耗很大,偏离了低功耗的发展趋势。图1 典型的传统过热保护电路CONFIDENTIAL6一一 OTP 过温保护电路过温保护电路 1. 2 利用利用PTA T 电流源的过热保护电路电流源的过热保护电路图2 为该类型OTP 的示意图,电流源IPTAT对温度

8、很敏感,能表征温度变化,和绝对温度成比例,令:IPTAT1 = K1 T (2)IPTAT2 = K2 T (3)其中K1 和K2 是正比例系数, T 是绝对温度。当温度升高的时候,电流也随之成比例增加,在PTAT 点以及降在R2 上的电压也升高,但不随电源电压VDD变化,而Q1 上的结压VBE随着温度的升高而降低。调整参数就可以使base 点的电压成为不随温度和电源电压变化的基准电压。由式(2) ,式(3) 得PTAT 点和V base点的电压分别为:V PTAT = K1 R1 T (4)V base = K2 R2 T + VBE (5)所以在某个温度点上,VPTAT与Vbase相等,此

9、温度点为过热温度点。由于其较为优越的性能表现,这种类型的OTP 应用比较广泛。图图2 PTAT 电流源型电流源型OTP 电路示意图电路示意图CONFIDENTIAL7一一 OTP 过温保护电路过温保护电路 1. 3 带迟滞延时的过温保护电路带迟滞延时的过温保护电路 该电路具有该电路具有75度的温度滞回区间，度的温度滞回区间，热关断点温度热关断点温度142度度CONFIDENTIAL8一一 OTP 过温保护电路过温保护电路 2.OTP在在IC中的具体应用示例：中的具体应用示例： TC0408B OTP block COMP的的Vout给给PWM控制调频信号，控制调频信号， 控制控制IC的工作和截

10、止。的工作和截止。(在在layout中感温中感温bjt最好最好 放到放到BIGMOS附近或者附近或者chip中间中间)CONFIDENTIAL9二二 COMP 比较器比较器 简单地说， 电压比较器是对两个模拟电压比较其大小(也有两个数字电压比较的，这里不介绍)，并判断出其中哪一个电压高，如图1所示。图1(a)是比较器，它有两个输入端：同相输入端(“+” 端) 及反相输入端(“-”端)，有一个输出端Vout(输出电平信号)。另外有电源V+及地(这是个单电源比较器)，同相端输入电压VA，反相端输入VB。VA和VB的变化如图1(b)所示。在时间0t1时，VAVB；在t1t2时，VBVA；在t2t3时

11、，VAVB。在这种情况下，Vout的输出如图1(c)所示：VAVB时，Vout输出高电平(饱和输出)；VBVA时，Vout输出低电平。根据输出电平的高低便可知道哪个电压大。（Vout具有施密特触发特性)CONFIDENTIAL10二二 COMP 比较器比较器 如果把如果把VA输入到反输入到反相端，相端，VB输入到同相端，输入到同相端，VA及及VB的电压变化仍然的电压变化仍然如图如图1(b)所示，则所示，则Vout输输出如图出如图1(d)所示。与图所示。与图1(c)比较，其输出电平倒比较，其输出电平倒了一下。输出电平变化与了一下。输出电平变化与VA、VB的输入端有关。的输入端有关。 图图2(a)

12、是双电源是双电源(正负电正负电源源)供电的比较器。如果供电的比较器。如果它的它的VA、VB输入电压如输入电压如图图1(b)那样，它的输出特那样，它的输出特性如图性如图2(b)所示。所示。VBVA时，时，Vout输出饱输出饱和负电压。和负电压。（Vout具有施密特触发特性)CONFIDENTIAL11二二 COMP 比较器电路结构比较器电路结构COMP在layout中要注意matchingCONFIDENTIAL三三OVP过压保护电路过压保护电路输出过压保护电路的作用是：当输出电压超过设计值时，把输出电压限定在一安全值的范围内。当开关电源内部稳压环路出现故障或者由于用户操作不当引起输出过压现象时

13、，过压保护电路进行保护以防止损坏后级用电设备。在测试与测量应用中，必须为放大器、电源以及类似部件的输出端提供过压保护。实现这一任务的传统方式是在输出节点中增加串联电阻，并在电源线路或其它阈值电压上增加箝位二极管（图1）。这个电阻大大减小了电流输出的能力，以及低阻负载的输出电压摆幅。另外一种方案是用保险丝或其它限流器件，它优于这些箝位电路的高吸能能力。当源电阻R6上的压降大于耗尽型MOSFET Q1与Q2的栅极阈值电压时，图2电路是作为一个双极电流源，从而限制了通过箝位二极管的电流。这种方案的缺点是在过载条件下，串联元件上有大的功耗。12CONFIDENTIAL三三OVP过压保护电路过压保护电路

14、 有一种合理的方案是当有一种合理的方案是当输出端子上存在过载电输出端子上存在过载电压时，将放大器输出节压时，将放大器输出节点与输出端子断开一段点与输出端子断开一段时间。几十年来，工程时间。几十年来，工程师都在音响功率放大器师都在音响功率放大器中使用机电继电器完成中使用机电继电器完成这种串联断接，不过原这种串联断接，不过原因不同，他们是用于扬因不同，他们是用于扬声器保护。声器保护。SSRSSR（固态（固态继电器）（包括光电子继电器）（包括光电子、光伏电池、光伏电池、OptoMOSOptoMOS和和hotoMOShotoMOS器件）适合器件）适合完成中等强度电流的负完成中等强度电流的负载断接任务，

15、因为其控载断接任务，因为其控制端与负载端之间有电制端与负载端之间有电流绝缘流绝缘。13CONFIDENTIAL三三OVP过压保护电路过压保护电路图图3 3中的串联保护电路使用一只串接的大电中的串联保护电路使用一只串接的大电压压SSRSSR，切断放大器的输出端。当输出电压，切断放大器的输出端。当输出电压升高到正基准电压以上或低于负基准电压阈升高到正基准电压以上或低于负基准电压阈值时，就会使值时，就会使IC2IC2或或IC3IC3比较器变换自己的输比较器变换自己的输出状态，通过与逻辑器件出状态，通过与逻辑器件IC5IC5关断关断SSR IC4SSR IC4。图图4 4显示了实现这种方案的简单电路。

16、显示了实现这种方案的简单电路。 图图4 4中的电路只需要少量外接元件，使用一只中的电路只需要少量外接元件，使用一只SSRSSR作输出过压保护。上升的过压使作输出过压保护。上升的过压使IC2IC2中的中的两只晶体管截止，切断了流经两只晶体管截止，切断了流经IC3IC3控制控制LEDLED的的电流。继电器电流。继电器IC3IC3打开，保护放大器与箝位打开，保护放大器与箝位二极管。该电路经过了一系列二极管。该电路经过了一系列ClareClare、Matsushita Electronic WorksMatsushita Electronic Works和和Panasonic SSRPanasonic

17、 SSR的测试，它们有的带内部电的测试，它们有的带内部电流保护，有的不带。电源线路电压是流保护，有的不带。电源线路电压是15V15V；R10R10、R11R11和和R12R12设定触发电平为设定触发电平为16 V16 V。省略省略R11R11可将触发电平移至可将触发电平移至14.5V14.5V。在保护。在保护电路工作时，针对电路工作时，针对0.5V0.5V过压保护继电器，过压保护继电器，SSRSSR的关断延迟为的关断延迟为100s200s100s200s，较高过压，较高过压下延迟会更短些。注意在使用低导通电阻下延迟会更短些。注意在使用低导通电阻SSRSSR时，通过箝位二极管的峰值电流可能会时，

18、通过箝位二极管的峰值电流可能会相当大。相当大。14CONFIDENTIAL三三OVP过压保护电路过压保护电路15图4CONFIDENTIAL16RES_S1_S4是对检测电压进是对检测电压进行降压处理，行降压处理， 产生产生R_S1-R_S4四个电压四个电压送给比较器的送给比较器的PIN端。端。SWCOMS为为2选选1电路，将电路，将bandgap产生的两个基准电产生的两个基准电压压V1D75、V0D8选择一个选择一个给比较器的给比较器的NIN端。当检测端。当检测信号信号R_S1-R_S4大于大于VREF电位，比较器输出结电位，比较器输出结果翻转，给出一个果翻转，给出一个IC关断信关断信号。号

19、。这边选择信号这边选择信号VIN220最后接最后接到到fuse上，最后测试通过切上，最后测试通过切断断fuse，选择，选择V1D75、V0D8中的一个电位给中的一个电位给VREF做为做为比较器基准电压。比较器基准电压。三三OVP过压保护电路过压保护电路CONFIDENTIAL17三三OVP过压保护电路过压保护电路OVP过压保护电路过压保护电路RES_S1_S4是对检是对检测电压进行降压处测电压进行降压处理，送给比较器理，送给比较器CMP_2SP_OVP电压比较器后，接电压比较器后，接一些对翻转信号进一些对翻转信号进行处理的电路行处理的电路CONFIDENTIAL三三OVP过压保护电路过压保护电

20、路 TKA050C OVP block layout 比较器和降压电阻比较器和降压电阻18CONFIDENTIAL四四 POR欠压保护电路欠压保护电路1 双极型双极型 输入欠压保护电路。当输入电压低于设定欠压值时，关闭输出；当输入电压升高到设定恢复值时，输出自动恢复正常。 191234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:18-Oct-2007Sheet of File:F:工作文件夹SR系列电路库dl.DDBDrawn By:R1R17VT4VT5R19VD4VT6R21R2R22R23C11R2COMP(IC的 1脚 ）+VinCONFIDEN

21、TIAL四四 POR欠压保护电路欠压保护电路工作原理分析工作原理分析:20 电路的优缺点电路的优缺点 优点：电路形式简单，成本较低。优点：电路形式简单，成本较低。 缺点：因稳压管缺点：因稳压管VD4批次间稳压值的差异，导致欠压保护点上下浮动，大批批次间稳压值的差异，导致欠压保护点上下浮动，大批 量生产时需经常调试相关参数。量生产时需经常调试相关参数。CONFIDENTIAL四四 POR 输出过压、欠压保护电路输出过压、欠压保护电路 2 2 过压、欠压状态的判断过压、欠压状态的判断* 比较器A用于输出过压判断。* 比较器B用于输出欠压判断。* 调整电阻R1、R2、R3可改变保护点。、* 正常时，UB=“0”；保护时， UB=“1”。上限下限CONFI